火电厂节能环保冷却塔落水发电方法

于德超，吴蔚宇

(1.中国华电永州风电有限公司，长沙 410004； 2.中国能源建设集团 湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007)

0 引言

随着时代的发展，国家对环保的要求更加严格。为了达到国家环保要求，目前国内火电厂多采用带冷却塔的循环冷却方式来减少温排水对周边环境的影响。但冷却塔冷却水从淋水盘落入水池中会产生巨大的噪音，对周边的居民造成很大的影响。有很多电厂为降低噪音，花费巨资建造声屏障等降噪设备(某降噪设备成本高达1600万左右)。同时，冷却水从淋水盘落入水池中的势能没有被利用是极大的浪费。

本改造方案利用水轮发电机原理，对冷却水落水势能再次利用，并利用具有降噪材料的导流板对落水产生的声音进行降噪，改善侧风对冷却塔效率的影响，转换落水势能进行发电，以达到节能环保、节资降耗的目的。

1 冷却塔落水发电解决方案

1.1 水塔改造总体方案

总体改造方案为在冷水塔填料层下分层安装多个降噪材料的导流板，利用导流板对冷却水进行收集。冷却水经过导流板下的集水管组，在集水箱进行集中后输入到水轮发电机进行发电(如图1所示)。

(1)在冷水塔填料层下分层安装导流板，目的是保证冷却塔的冷却效果、减小侧风，同时要尽最大可能收集冷却水(如图2所示)。

(2)在导流板上开多孔并使其与集水管相连形成集水管组。集水管组有序连通，将导流板上冷却水汇集到集水箱(如图3所示)。

(3)集水管组流量与集水箱容积需相匹配，确保集水箱满水、集水管组内水位保持一定高度。尽可能让进水的压头增高，来提高水轮发电机发电效率。

图1 落水解决方案原理示意

图2 导流板、集水管组及集水箱侧视

(4)将压力相近的集水管组的水收集到同一高度的集水箱中。可设置多个集水箱，通过输水管连接将水输入水轮发电机进行发电。

(5)水轮发电机出水管呈喇叭形埋入水下，工作时形成真空可保证水轮发电机高效运行，进而提高水水轮发电机的发电效率。

1.2 导流板对侧风的改善

冷却塔性能受环境侧风影响较大。环境侧风的存在改变了冷却塔内空气流场的对称性：实验研究表明，环境侧风风速越大，自然通风干式冷却塔出口空气流速越小，侧风在塔内形成漩涡，使通风阻力增大、空气流动性减弱；在均匀布水时，侧风造成塔内气水比及传热传质沿冷却塔径向分布不均匀，导致塔内部分区域冷却效果差、冷却能力偏低。通过计算流体力学(CFD)软件对湿式冷却塔进行数值研究表明，侧风风速7.5 m/s时的出水温度比无侧风时升高1.7 K。因此，控制侧风对冷却塔性能的影响具有普遍工程实践意义。

图3 导流板俯视

加装导风板后，冷却塔径向漩涡及轴向漩涡影响能力降低，冷却塔通风量增加、冷却能力增强。

1.3 水塔发电输出方案

水塔落水带动水轮发电机发电不受外界影响、转速相对稳定、供电品质较好。为避免水轮发电机首次应用影响厂用电的正常供电安全，在水轮发电机出口母线与厂用电工作段连接时设置隔离变压器：水轮发电机通过发电机出口开关汇流至水塔水轮发电机出口380 V母线；水轮发电机出口380 V母线通过隔离变压器开关进入隔离变压器，与厂用380 V化水一段开关(或在水塔就近处选取与要求相符合的厂用工作段)相连接；水轮发电机出口母线与隔离变压器之间引出数路电源，用来供厂区道路照明、宿舍用电、冲洗水泵等对用电品质要求不高的小负荷用电，如图4所示。如水塔水轮发电机发电不足，由380 V化水工作段补充，如水塔水轮发电机发电超出负荷所需，可通过化水变压器反送至厂用电系统。

图4 水塔发电输出方案示意

2 性能计算分析

利用焓差法，综合考虑冷却塔的热力特性和阻力特性，计算分析落水发电项目所提出的改造技术对冷却塔的热力性能的影响。

2.1 计算分析目的

冷却塔落水发电改造技术，对冷却塔雨区的冷却能力和阻力特性均带来了影响，进而影响到冷却塔的热力性能。本次计算的目的是对改造后的冷却塔热力性能变化情况进行计算，分析专利ZL 2017 2 0879818.4所涉及的改造技术对冷却塔性能的影响趋势。

2.2 计算分析方法

2.2.1 冷却塔的空气动力计算

冷却塔空气动力计算的最终结果是求得总阻力Z和总抽力H的平衡，即Z=H。此时冷却塔内部的气水流动达到稳定状态。

2.2.2 冷却塔的抽力计算

自然通风逆流湿式冷却塔的空气流动是由塔内外空气密度差产生的抽力所引起的。在冷却塔中，气水之间发生传热传质，空气温度升高，湿度增大，密度减小。在配水系统上部的塔筒内，空气密度近似均匀，抽力为

H=Heg(ρ1-ρ2) ，

(1)

式中：He为冷却塔的有效抽力高度，m；g为重力加速度，m/s2；ρ1为塔外空气密度，kg/m3；ρ2为塔内空气密度，kg/m3；He应是塔外大气在进风口半高处的压力和塔内相应高度处空气的气压差。一般认为空气从进风口中部以上开始吸热，直到喷嘴以下，且此段空气密度呈线性变化，则有效高度取值为配水系统上部到塔顶的距离与喷嘴到进风口半高处距离的一半的和。

2.2.3 冷却塔的阻力计算

空气从进风口进入冷却塔，穿过雨区、填料层、配水系统、收水器，从塔出口排出，在穿过这些部件时会产生通风阻力。冷却塔阻力为

(2)

ξ=ξ1+ξ2+ξ3，

(3)

ξ1= (1-3.47ε+3.65ε2)×(85+

(4)

ξ2= 6.72+0.654D+3.5q+1.43vf-

60.61ε-0.36vfD，

(5)

ξ3=(A0/Af)2，

(6)

式中：ξ为冷却塔的总阻力系数；ρf为填料断面的空气密度，kg/m3；vf为填料断面的气流速度，m/s；ξ1为从进风口到配水系统上部的阻力系数；ξ2为雨区阻力系数；ξ3为塔筒出口阻力系数；ξf为填料层尼阻力系数；ε为进风口面积与淋水面积之比；D为填料底部直径，m；q为淋水密度，t/(m2·h)；A0为塔筒出口直径，m；Af为填料断面直径，m。

2.2.4 冷却塔的热力计算

冷却塔热力计算的最终结果就是求得冷却能力和冷却任务的平衡，即Nc=Nt。Nt为冷却塔的冷却任务，kJ/h；Nc为测试出的冷却塔冷却能力，kJ/h。此时，冷却塔内空气温度、湿度以及水温分布均达到稳定状态。

2.2.5 冷却塔的冷却能力

冷却塔的冷却能力由以下3部分组成。

(1)从配水喷嘴开始到填料顶面，水滴在上升气流中冷却。这部分冷却能力约占全塔冷却能力的10%。

(2)填料高度范围内的冷却。这一部分是冷却塔冷却能力的主要部分，约占全塔冷却能力的70%。

(3)填料以下到集水池水面之间水滴的尾部冷却，约占全塔冷却能力的20%。

在冷却塔热力性能测试中，一般未将上述3部分冷却能力分开测定，而是测定3部分总和。当对雨区进行改造时，在雨区中部即将落雨进行收集，造成雨区的冷却能力下降，进行计算时需进行考虑。冷却塔冷却能力为

Nc=Aλn，

(7)

(8)

Nc′=Nc-Nr，

(9)

式中：Nc′为改造后的冷却塔冷却能力，kJ/h；A为试验系数，由填料模拟试验求得；n为试验指数，由填料模拟试验求得；λ为气水比，%；Nr为雨区减少所损失的冷却能力，kJ/h；Hr为减少的雨区高度，m。

2.2.6 冷却塔的冷却任务

已知气象条件、进塔水温、出塔水温和气水比的条件下，冷却塔的冷却任务采用焓差法可以表示为

(10)

式中：t1为进塔水温，℃；t2为出塔水温，℃；Cw为水的比热，kJ/(kg·℃)；i″为水温t对应的饱和空气焓值，kJ/kg；i为对应i″的空气焓值，kJ/kg。

通常情况下，冷却任务可用辛普逊二段近似积分求解

式中：i1″、i2″、im″为水温t1、t2、tm对应的饱和空气焓值，tm=(t1+t2)/2；i1、i2、im为空气进口、出口及进出口平均焓值。

2.2.7 冷却塔性能迭代计算

冷却塔的计算包括空气动力计算和热力计算两部分，由于出塔水温t2和填料断面风速vf都是未知的，因此，冷却塔性能求解是一个迭代计算的过程。计算时，首先假设一个出塔水温t2，在此基础上再假设填料断面风速vf，求出在出塔水温为t2时，满足冷却塔抽力H和阻力Z相平衡时的填料断面风速vf。在此风速下，再分别计算冷却任务Nt和冷却能力Nc。如果Nt>Nc，则说明假设的出塔水温t2偏小，然后增大t2重新计算；如果Nt

图5 自然通风冷却塔性能迭代计算流程

2.3 案例计算及分析

2.3.1 计算分析对象

以某电厂为例电厂装机容量2×660 MW，2台机组配用2座10 000 m2双曲线逆流式自然通风冷却塔。塔内装有淋水填料层、配水管、除水器、喷溅装置等。2座冷却塔均由湖南电力勘测设计院设计。

冷却塔的设计热力参数：循环水量，69 984 m3/h；大气压力，99.91 kPa；干球温度，31.94 ℃；湿球温度，26.10 ℃；相对湿度，63.6%；出塔水温，31.8 ℃。

表1 不同冷却能力和阻力系数降低幅度时的出口水温改善度 ℃

冷却塔相关尺寸：淋水面积，10 000 m2；填料梁底标高，10.98 m；塔筒进风口标高，10.80 m；配水管中心标高，14.20 m；塔筒喉部标高，120 m；喉部直径，68.80 m；塔筒顶部标高，160 m。

冷却塔冷却能力测试结果

Nc=2.495λ0.77。

2.3.2 结果及分析

利用上述的迭代计算方法，以及电厂相关参数对雨区冷却能力和阻力特性下降对冷却塔出口水温的影响进行了计算。从图6可知，其他条件不变时，降低雨区冷却能力将使得出口水温上升、冷却塔热力性能下降。从图7可知，当其他条件不变时，减小雨区阻力特性将增大冷却塔通风量，使得填料区换热增强，出口水温随之下降，冷却塔的热力性能得到提高。

图6 雨区冷却能力降低对出口水温的影响

图7 雨区阻力系数降低对出口水温的影响

从结构上减少冷却塔雨区：一方面雨区冷却能力下降，对冷却塔冷却性能带来不利影响；另一方面，雨区的减少，降低了雨区通风阻力，增大了冷却塔气水比，提高了填料区换热，加强了冷却塔换热。冷却塔雨区改造对冷却塔热力性能的综合影响是这两方面的综合。

表1计算了在不同冷却能力和阻力系数降低幅度下的出口水温改善度。表1中的温度数据是在上述冷却塔的设计条件下，改造后的出水温度与原有设计出水温度31.8 ℃之间的差值。正值表明换热性能得到提升，负值表明换热性能下降。表中阴影区域是冷却塔热力性能弱化的区域，只要雨区改造使得冷却能力和阻力系数的变化不在此灰色范围之内，即可保证冷却塔热力性能不受影响，甚至得到提高。

2.4 冷却塔性能结论

冷水塔落水发电法提出了一种在冷却塔雨区中部设置导流板，对雨区落水进行收集，降低雨区落水噪音，再利用与集水池的高差进行发电进行能量回收的技术。

利用焓差法，综合考虑冷却塔的热力特性和阻力特性，对专利所提出的改造技术对冷却塔的热力性能的影响进行了计算分析，得出如下结论。

(1)从冷却塔结构上减少冷却塔雨区行程，使得冷却塔的冷却能力下降，当其他条件不变时，将使冷却塔出口水温提高，对冷却塔性能造成不利影响。

(2)从冷却塔结构上减少冷却塔雨区行程，使得冷却塔的阻力下降，当其他条件不变时，将使得冷却塔出口水温降低，对冷却塔性能造成有利影响。

(3)表1中用灰色标出了冷却塔性能下降的区域，利用专利技术对冷却塔雨区进行技术改造时，应避免雨区冷却能力和阻力系数降低幅度落在这一范围内。

(4)综合考虑两方面的影响，假定专利所提及的技术改造使得雨区冷却能力降低50%，阻力系数降低50%，冷却塔的出水温度将在原有设计出水温度31.82 ℃的基础上降低0.45 ℃至31.37 ℃，使得冷却塔的热力性能得到提高。

3 项目的预期成效或目标

3.1 本方案的先进性和实用性

本方案采用市场已有的材料和设备进行组合，将冷却塔内落水的能量进行利用，同时导流板采用降噪材料、分层布置，既解决了一部分环保问题又解决了电厂能源再利用的问题，同时也提高了设备的效率，符合节能环保的要求。目前在国内外尚未发现类似方案，该方案在冷却塔降噪、提效以及冷却水再利用的问题上处于领先水平。

3.2 经济效益与社会效益

以某厂贯穿式水轮发电机组系列GLT03-40水轮机性能数据及配套表为例，选取设计水头4 m、发电功率20千瓦和设计水头6 m、发电功率40千瓦的水轮机各10台，合计功率为600千瓦进行经济效益分析。

(1)冷却塔单台循泵为4万吨/小时，而我们选取的贯穿式水轮发电机合计流量为10 315 t/h(根据GLT03-40型水轮机性能数据及配套表计算)，水量完全满足发电要求。

(2)经计算，工程合计造价约为300万元：材料约为60万元(含施工)；20台水轮机设备为160万元；试验费及设计费80万元(含税金)。

(3)按一年2台循泵满负荷运行10个月/7 200 h，每度电按湖南上网电价0.45元/kW·h，每年可回收电费194.4万元。

(4)辅机运营成本测算， 1～3年，每年利润137.27万元，4～20年，每年利润132.77万元。